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KR20240164677A - Method of preparing pyrolysis fuel oil from waste plastics - Google Patents

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KR20240164677A
KR20240164677A KR1020230061374A KR20230061374A KR20240164677A KR 20240164677 A KR20240164677 A KR 20240164677A KR 1020230061374 A KR1020230061374 A KR 1020230061374A KR 20230061374 A KR20230061374 A KR 20230061374A KR 20240164677 A KR20240164677 A KR 20240164677A
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KR
South Korea
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waste plastic
oil
tubular reactor
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zone
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KR1020230061374A
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Korean (ko)
Inventor
정준교
이상범
이성호
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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Publication date
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Abstract

본 발명은 (S1) 폐플라스틱 원료를 수직으로 구분되는 다중 구역(zone)을 포함하는 관형 반응기의 상부 공급구에 투입하여 열분해하는 단계; (S2) 상기 단계에서 생성된 기상 스트림을 응축하여 액상 오일을 수득하는 단계; 및 (S3) 상기 액상 오일을 정제하는 단계를 포함하고, 상기 열분해는 상기 관형 반응기의 상부 구역에서 하부 구역으로 갈수록 승온 조건으로 수행되는 폐플라스틱 열분해유 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing waste plastic pyrolysis oil, comprising: (S1) a step of introducing waste plastic raw materials into an upper feed port of a tubular reactor including multiple zones separated vertically and pyrolyzing them; (S2) a step of condensing a gaseous stream produced in the step to obtain liquid oil; and (S3) a step of purifying the liquid oil, wherein the pyrolysis is performed under conditions of increasing temperature from an upper zone to a lower zone of the tubular reactor.

Description

폐플라스틱의 열분해유 제조 방법 {METHOD OF PREPARING PYROLYSIS FUEL OIL FROM WASTE PLASTICS}{METHOD OF PREPARING PYROLYSIS FUEL OIL FROM WASTE PLASTICS}

본 발명은 폐플라스틱의 열분해유 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐플라스틱의 열분해 효율을 향상시켜 경질 탄화수소 오일을 고수율로 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing pyrolysis oil from waste plastic, and more specifically, to a method for producing light hydrocarbon oil at a high yield by improving the pyrolysis efficiency of waste plastic.

최근 다양한 용도와 목적에 요구되는 물성을 갖는 플라스틱의 개발 및 이용이 증가하고 있다. 플라스틱은 원유 채취로부터 제조에 이르기까지 많은 에너지가 사용되고 그 과정에서 다량의 탄소가 배출된다. 나아가, 각종 제품에 사용된 플라스틱이 폐기되는 경우에도 환경 오염, 막대한 처리 비용 등이 발생하여, 폐플라스틱의 재활용이 중요한 사회적 이슈가 되고 있다. Recently, the development and use of plastics with properties required for various purposes and purposes is increasing. Plastics use a lot of energy from crude oil extraction to manufacturing, and a large amount of carbon is emitted in the process. Furthermore, when plastics used in various products are discarded, environmental pollution and enormous processing costs occur, so recycling of waste plastics is becoming an important social issue.

일반적으로, 폐플라스틱(수지)을 재활용하는 방법에는 기계적 재활용, 화학적 재활용 및 열적 재활용이 있다. 기계적 재활용은 수거된 폐플라스틱을 분쇄하고 선별하여 폐플라스틱을 종류 별로 분리한 후, 압출기를 이용해 용융시키고 펠릿화할 때 신재와 일정 비율로 혼합하거나 기능성 첨가제를 보강하여 수지 제품을 제조하는 방식이다. 화학적 재활용은 다양한 화학적 수단을 이용하여 특정 고분자만 추출하거나 순수 단분자로 회수하여 재중합하는 방식이다. 열적 재활용은 폐플라스틱을 연소하여 이를 열에너지로 회수하는 방식이다. In general, there are three methods for recycling waste plastics (resins): mechanical recycling, chemical recycling, and thermal recycling. Mechanical recycling is a method in which the collected waste plastics are crushed and sorted to separate the waste plastics by type, and then melted and pelletized using an extruder, and then mixed with new materials at a certain ratio or functional additives are added to manufacture resin products. Chemical recycling is a method in which only specific polymers are extracted or pure single molecules are recovered and re-polymerized using various chemical means. Thermal recycling is a method in which waste plastics are burned to recover heat energy.

특히 상기 화학적 재활용은 폐플라스틱의 소각 대비 온실가스 감축을 실현할 수 있고 대체 연료 개발의 측면에서 최근에 주목받고 있다. In particular, the above chemical recycling can reduce greenhouse gases compared to incineration of waste plastics and has recently attracted attention in terms of developing alternative fuels.

예컨대, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필과 같은 재질의 폐플라스틱을 가열하여 특정 온도에서 열분해하면 비응축성 가스 및 액상 오일이 혼합된 기상 스트림이 생성되고, 완전히 분해되지 않은 고점성의 왁스 잔류물(residual wax)이 배출될 수 있다. 상기 열분해 생성물 중 액상 오일은 석유화학 제품 제조를 위한 연료유(fuel oil)로의 중요도가 증가되고 있기에 상기 액상 오일의 수율을 높이려는 연구가 활발하다. For example, when waste plastics such as polyethylene or polypropylene are heated and pyrolyzed at a certain temperature, a gaseous stream mixed with non-condensable gas and liquid oil is generated, and highly viscous residual wax that is not completely decomposed may be discharged. Among the pyrolysis products, the liquid oil is increasingly important as fuel oil for the production of petrochemical products, and therefore, research is actively being conducted to increase the yield of the liquid oil.

상기 폐플라스틱의 열분해로부터 생성된 액상 오일, 즉 열분해유는 통상적으로 나프타(naphtha)와 같은 C5-12의 경질 탄화수소 오일 및 이보다 장쇄의 탄화수소 오일을 포함하는 혼합유이다. 이러한 혼합유 내에 고비점(heavy) 성분이 많이 포함되는 경우 고부가가치인 경질 탄화수소 오일의 수득율이 제한적이며 헤비(heavy) 오일 성분의 생성량 및 왁스 잔류물의 배출량이 과다한 문제가 있다.The liquid oil produced from the pyrolysis of the above waste plastic, i.e., pyrolysis oil, is typically a mixed oil containing light hydrocarbon oils of C 5-12 such as naphtha and hydrocarbon oils of longer chains. If the mixed oil contains a large amount of high-boiling-point (heavy) components, the yield of high value-added light hydrocarbon oils is limited, and there are problems in that the amount of heavy oil components produced and the amount of wax residue discharged are excessive.

이러한 문제를 해결하기 위해, 폐플라스틱의 열분해시에 촉매 크랙킹에 의한 접촉 분해반응을 수행하거나, 컨택터를 이용해 폐플라스틱의 열분해 생성물 중의 중질 탄화수소(즉, 장쇄 탄화수소) 성분을 응축시킨 후 열분해 반응기로 순환시켜 다시 열분해 과정을 거치게 하는 방법들이 제안되었다. 그러나, 이들 방법들은 폐플라스틱의 열분해 효율을 높이는데 한계가 있어, 단지 혼합유로서의 재활용에 그치고 있다.To solve these problems, methods have been proposed to perform a contact decomposition reaction by catalytic cracking during the pyrolysis of waste plastics, or to condense heavy hydrocarbon (i.e., long-chain hydrocarbon) components among the pyrolysis products of waste plastics using a contactor and then circulate them to a pyrolysis reactor to undergo the pyrolysis process again. However, these methods have limitations in increasing the pyrolysis efficiency of waste plastics, and are limited to recycling as mixed oil.

따라서, 폐플라스틱의 열분해 공정을 개선하여 고급 경질 탄화수소 오일의 수득율을 향상시킬 수 있는 기술이 필요하다.Therefore, a technology is needed to improve the pyrolysis process of waste plastics to increase the yield of advanced light hydrocarbon oil.

미국 특허출원공개 제 US2012/0261247호 공보United States Patent Application Publication No. US2012/0261247

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 상기 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 문제들을 해결하기 위하여, 폐플라스틱의 열분해를 수직 배치의 관형 반응기에서 단일 온도가 아닌 승온 조건으로 수행하고, 상기 반응기 내부에서 하강하는 액상 성분의 충분한 체류 시간을 확보하여 폐플라스틱의 열분해 효율을 향상시킴으로써 경질 탄화수소 오일을 고수율로 제조하는 방법에 관한 것이다.The problem to be solved in the present invention is to solve the problems mentioned in the background technology of the above invention by performing pyrolysis of waste plastic under elevated temperature conditions rather than a single temperature in a vertically arranged tubular reactor, and securing sufficient residence time of the liquid component descending inside the reactor to improve the pyrolysis efficiency of waste plastic, thereby producing light hydrocarbon oil at a high yield.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따르면, (S1) 폐플라스틱 원료를 수직으로 구분되는 다중 구역(zone)을 포함하는 관형 반응기에 공급하여 열분해하는 단계; (S2) 상기 단계에서 생성된 열분해 가스를 응축하여 액상 오일을 수득하는 단계; 및 (S3) 상기 액상 오일을 정제하는 단계를 포함하고, 상기 열분해는 상기 관형 반응기의 상부 구역에서 하부 구역으로 갈수록 승온 조건으로 수행되는 폐플라스틱 열분해유 제조 방법이 제공된다.According to one embodiment of the present invention for solving the above problems, a method for producing waste plastic pyrolysis oil is provided, comprising: (S1) a step of supplying waste plastic raw materials to a tubular reactor including multiple zones separated vertically to perform pyrolysis; (S2) a step of condensing pyrolysis gas produced in the step to obtain liquid oil; and (S3) a step of purifying the liquid oil, wherein the pyrolysis is performed under conditions of increasing temperature from an upper zone to a lower zone of the tubular reactor.

상기 관형 반응기는 다발관 강하막 증발기(multitube falling-film evavorator)를 포함할 수 있으며, 구역별로 길이가 상이한 외부 가열 자켓을 구비할 수 있다.The tubular reactor may include a multitube falling-film evavorator and may be provided with external heating jackets of different lengths for each section.

본 발명에 따르면, 폐플라스틱 원료를 수직으로 구분되는 다중 구역을 포함하는 관형 반응기에서 공급하고 하부 구역으로 갈수록 단계적으로 온도를 상승시켜 열분해를 연속적으로 수행함으로써, 폐플라스틱의 분해 효율을 향상시켜 고급 경질 탄화수소 오일의 수율을 높이면서 활용도가 낮은 왁스 잔류물(residual wax)의 배출을 최소화할 수 있다.According to the present invention, by supplying waste plastic raw materials into a tubular reactor including multiple zones separated vertically and continuously performing thermal decomposition by gradually increasing the temperature toward the lower zones, the decomposition efficiency of waste plastics can be improved, thereby increasing the yield of high-grade light hydrocarbon oil and minimizing the discharge of residual wax having low utilization.

또한, 상기 관형 반응기의 구역별로 하강하는 액상 성분의 점도를 고려해 길이가 상이한 외부 가열 자켓을 구비하여 충분한 반응 체류 시간을 확보함으로써 폐플라스틱의 열분해 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. In addition, by considering the viscosity of the liquid component descending in each section of the tubular reactor, external heating jackets of different lengths are provided to secure sufficient reaction residence time, thereby further improving the thermal decomposition efficiency of waste plastic.

나아가, 폐플라스틱의 열분해로부터 얻은 경질의 탄화수소 연료유의 활용은 석유화학 공정의 원료 공급시에 유발되는 온실 가스 배출을 감소시킬 수 있고, 에너지 소비 절감과 같은 공정 효율 개선을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 폐플라스틱의 처리에 유해 가스가 발생하지 않아 환경적으로도 유리하다.Furthermore, the utilization of light hydrocarbon fuel oil obtained from the pyrolysis of waste plastic can reduce greenhouse gas emissions caused by the supply of raw materials for petrochemical processes, and improve process efficiency such as reducing energy consumption. In addition, it is also environmentally beneficial because no harmful gases are generated during the treatment of waste plastic.

도 1 및 2는 본 발명의 일 실시형태에서 수직으로 구분되는 구역을 포함하는 관형 반응기를 이용해 폐플라스틱의 열분해를 수행하는 과정을 개략적으로 예시한 것이다.Figures 1 and 2 schematically illustrate a process for performing pyrolysis of waste plastic using a tubular reactor including vertically separated sections in one embodiment of the present invention.

본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the description and claims of the present invention should not be interpreted as limited to their usual or dictionary meanings, but should be interpreted as meanings and concepts that conform to the technical idea of the present invention, based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain his or her own invention in the best manner.

본원에서 사용되는 '포함' 또는 '함유'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 또는 성분의 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terms “include” or “comprising” as used herein specify a particular characteristic, region, integer, step, operation, element, or component, but do not exclude the addition of any other particular characteristic, region, integer, step, operation, element, or component.

본원에서 사용되는 용어 '스트림(stream)'은 공정 내 유체(fluid)의 흐름을 의미하는 것일 수 있고, 또한, 배관 내에서 흐르는 유체 자체를 의미하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 스트림은 각 장치를 연결하는 배관 내에서 흐르는 유체 자체 및 유체의 흐름을 동시에 의미하는 것일 수 있다. 또한, 상기 유체는 기체(gas), 액체(liquid) 및 고체(solid) 중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.The term 'stream' used herein may mean the flow of fluid within a process, and may also mean the fluid itself flowing within a pipe. Specifically, the stream may mean both the fluid itself flowing within a pipe connecting each device and the flow of the fluid. In addition, the fluid may include at least one component of gas, liquid, and solid.

본원에서 사용된 용어 "Cn"은 n개의 탄소 원자를 가진 모든 탄화수소를 나타내는 것으로, 예컨대 "C5-12"는 탄소수가 5개 내지 12개인 모든 탄화수소 분자를 나타내는 것이다.The term "C n ", as used herein, refers to all hydrocarbons having n carbon atoms, for example, "C 5-12 " refers to all hydrocarbon molecules having 5 to 12 carbon atoms.

본원에서 사용되는 용어 '액상 오일'은 열분해 단계에서 얻은 기상 스트림이 응축에 의해 액상으로 전환된 수득물을 의미하며, 다르게는 '액상의 증류(distilled) 오일'로도 언급될 수 있다.The term 'liquid oil' as used herein means the product obtained by converting the gaseous stream obtained in the thermal cracking step into a liquid phase by condensation, and may also be referred to as 'liquid distilled oil'.

또한, 본원에서 언급되는 "압력"은 완전 진공을 기준으로 측정한 절대 압력을 의미한다.Additionally, “pressure” as referred to herein means absolute pressure measured relative to a complete vacuum.

본 발명의 일 실시형태에 따른 폐플라스틱 열분해유의 제조 방법은 (S1) 폐플라스틱 원료의 열분해 단계, (S2) 응축에 의한 액상 오일 수득 단계 및 (S3) 정제 단계를 포함한다.A method for producing waste plastic pyrolysis oil according to one embodiment of the present invention comprises (S1) a step of pyrolysis of waste plastic raw materials, (S2) a step of obtaining liquid oil by condensation, and (S3) a step of purification.

이하에서는 본 발명에 따른 폐플라스틱 열분해유의 제조 방법을 단계별로 상세하게 설명한다.Below, the method for producing waste plastic pyrolysis oil according to the present invention is described in detail step by step.

먼저, 폐플라스틱 원료를 준비하여 수직으로 배치되는 관형 반응기의 공급구에 투입하고 열분해를 수행한다(S1).First, waste plastic raw materials are prepared and fed into the feed port of a vertically arranged tubular reactor to perform pyrolysis (S1).

상기 폐플라스틱은 천연 고분자, 합성 고분자 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 상기 합성 고분자로서 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등과 같은 열가소성 수지류가 포함될 수 있다. 또한, 상기 열가소성 수지는 PVC, PET와 같은 다른 종류 수지, 열경화성 수지 등과 혼합된 것일 수 있다.The above waste plastic may include natural polymers, synthetic polymers, or mixtures thereof, and the synthetic polymer may include thermoplastic resins such as polyethylene, polypropylene, and polystyrene. In addition, the thermoplastic resin may be mixed with other types of resins such as PVC, PET, and thermosetting resins.

이러한 재질의 폐플라스틱은 수거 및 선별된 후에, 파쇄, 세척, 건조 및 용융을 포함하는 전처리 과정을 거칠 수 있다. 상기 전처리 과정은 당해 분야에 통상적인 방식으로 수행될 수 있다. After being collected and sorted, waste plastics of such materials may undergo a pretreatment process including shredding, washing, drying, and melting. The pretreatment process may be performed in a manner conventional in the art.

예컨대, 폐플라스틱의 파쇄 크기는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 통상적으로 0.5 내지 6.0 cm의 범위에서 수행될 수 있으며, 이후 세척 및 건조를 거친 폐플라스틱 파쇄물을 압출기와 같은 관형 용융기에 투입하여 용융할 수 있다. 상기 압출기는 용융 및 혼련하여 압출하는 기능을 가지며, 예컨대 2축 스크류형 압출기일 수 있다. 상기 폐플라스틱이 열가소성 수지, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물인 경우 용융 온도는 120 내지 350 ℃ 또는 150 내지 250 ℃ 일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.For example, the size of the waste plastic shredding is not particularly limited, but can be performed in a range of 0.5 to 6.0 cm, and the washed and dried waste plastic shredded material can be fed into a tubular melter such as an extruder to be melted. The extruder has a function of melting and kneading and extruding, and can be, for example, a twin-screw extruder. When the waste plastic is a thermoplastic resin, such as polyethylene, polypropylene, or a mixture thereof, the melting temperature can be, but is not limited to, 120 to 350° C. or 150 to 250° C.

상기 전처리 과정으로 수득된 폐플라스틱 용융물의 열분해 효율을 높기기 위해서, 본 발명은 수직으로 구분되는 다중 구역(zone)을 포함하는 관형 반응기를 사용한다.In order to increase the thermal decomposition efficiency of the waste plastic melt obtained through the above pretreatment process, the present invention uses a tubular reactor including multiple vertically separated zones.

일반적으로 관형 열분해 반응기는 투입된 원료가 수직으로 세워진 관 내부에서 중력에 의해 아래로 흘러내리면서 내벽을 타고 열분해가 이루어지며, 상기 열분해로 기화된 생성물은 반응기의 상부를 통해 외부로 배출되는 구조를 갖는다. Typically, a tubular pyrolysis reactor has a structure in which the introduced raw material flows down by gravity inside a vertically erected tube and pyrolysis occurs along the inner wall, and the vaporized product from the pyrolysis is discharged to the outside through the upper part of the reactor.

예컨대, 상기 폐플라스틱 원료는 상기 반응기의 상부 공급부에 투입되고 가열하여 열분해를 수행하면, 기화되어 생성된 기상 스트림은 상기 관형 반응기의 상부 공급부를 통해 반응기 밖으로 배출되고, 미처 기화되지 못한 나머지 액상 스트림은 상기 관형 반응기 내부 표면을 따라 하강하면서 추가 열분해가 이루어짐으로써 폐플라스틱의 분해 효율을 향상시킬 수 있다.For example, when the waste plastic raw material is fed into the upper feed port of the reactor and heated to perform thermal decomposition, the vaporized gas stream generated is discharged out of the reactor through the upper feed port of the tubular reactor, and the remaining liquid stream that has not yet been vaporized descends along the inner surface of the tubular reactor to perform additional thermal decomposition, thereby improving the decomposition efficiency of the waste plastic.

상기 폐플라스틱의 가열은 외부에 구비된 자켓에 고온/고압의 증기, 온수 또는 열매체유(heat transfer fluid) 등을 통과시켜 폐플라스틱에 고온의 열을 전달함으로써 수행될 수 있으며, 이에 대한 특별한 제한은 없다. The heating of the waste plastic can be performed by passing high temperature/high pressure steam, hot water or heat transfer fluid through a jacket provided externally to transfer high temperature heat to the waste plastic, and there are no special restrictions on this.

도 1을 참조할 때, 본 발명에서 사용되는 관형 반응기는 다발관 강하막 증발기(multitube falling-film evavorator)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the tubular reactor used in the present invention may include a multitube falling-film evavorator.

상기 다발관 강하막 증발기(multitube falling-film evavorator)는 복수개의 관 내부에서 균일한 온도 분포를 구성함에 따라 폐플라스틱 용융물의 보다 빠르고 효과적인 분해 반응을 유도할 수 있다.The above multitube falling-film evaporator can induce a faster and more effective decomposition reaction of melted waste plastic by forming a uniform temperature distribution inside a plurality of tubes.

또한, 본 발명에서 사용되는 관형 반응기는 수직으로 구분되는 다중 구역(zone)을 포함하여, 상기 관형 반응기의 상부 구역에서 하부 구역으로 갈수록 승온 조건으로 폐플라스틱의 열분해를 수행하는 것을 특징으로 한다. 이를 위해서, 본 발명은 다중 구역을 포함하는 관형 반응기에 구역별로 길이가 상이한 외부 가열 자켓을 배치하여, 상기 반응기 내에서 중력 방향으로 흐르는 폐플라스틱 용융물이 상부 구역에서는 상대적으로 저온으로 가열되고, 하부 구역에서는 상대적으로 고온으로 가열되도록 구성할 수 있다. 이러한 경우, 가열 온도에 따라 액상 스트림 내 경질 유분의 기화가 증가하므로, 상부 구역에서 하부 구역으로 하강하면서 액상 스트림 내 경질 유분의 비율이 감소하여 점도가 상승한다. 즉, 상부 구역에 체류하는 액상 스트림은 상대적으로 높은 비율의 경질 유분에 의해 낮은 점성을 나타내어 중력 방향으로 빠르게 하강하는 한편, 하부 구역의 액상 스트림은 졍질 유분 비율 감소에 의한 점도 상승으로 하강 속도로 느려진다. In addition, the tubular reactor used in the present invention is characterized in that it includes multiple zones that are vertically separated, and performs thermal decomposition of waste plastic under conditions of increasing temperature from the upper zone to the lower zone of the tubular reactor. To this end, the present invention can be configured such that external heating jackets having different lengths are arranged in each zone in the tubular reactor including multiple zones, so that the waste plastic melt flowing in the direction of gravity in the reactor is heated to a relatively low temperature in the upper zone and to a relatively high temperature in the lower zone. In this case, since the vaporization of light oil in the liquid stream increases depending on the heating temperature, the ratio of light oil in the liquid stream decreases while descending from the upper zone to the lower zone, thereby increasing the viscosity. That is, the liquid stream staying in the upper zone exhibits low viscosity due to a relatively high ratio of light oil, and thus quickly descends in the direction of gravity, while the liquid stream in the lower zone slows down in its descending speed due to an increase in viscosity caused by a decrease in the ratio of solid oil.

따라서, 상기 관형 반응기의 구역별로 액상 스트림의 점도에 따른 균일하고 충분한 체류 시간을 확보하여 열분해 효율을 향상시키기 위해, 구역별 외부 가열 자켓의 길이를 해당 구역에 체류하는 점도에 반비례하도록 구성하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상부 구역의 외부 가열 자켓의 길이는 가장 길게 하면서 하부 구역으로 갈수록 짧게 구성할 수 있다. 예컨대, 상기 관형 반응기의 상부 구역에 구비된 외부 가열 자켓의 길이는 그 아래의 하부 자켓 길이의 1배 초과 내지 2배, 상세하게는 1.2배 내지 1.8배로 구성할 수 있다. 만약 상기 상부 구역의 가열 자켓 길이가 하부 구역의 가열 자켓 길이와 동일하거나 짧은 경우에는 상부 구역에 체류하는 액상 스트림은 점도가 낮아서 빠르게 하강하므로 충분한 열분해 시간을 확보하기 어렵고, 2배 초과의 경우에는 상대적으로 저온을 유지하는 상부 구역의 체류 시간이 필요 이상으로 길어져 유체 하강에 따른 점진적 승온 효과를 기대할 수 없다.Therefore, in order to secure a uniform and sufficient residence time according to the viscosity of the liquid stream in each zone of the tubular reactor and improve the pyrolysis efficiency, it is preferable to configure the length of the external heating jacket in each zone to be inversely proportional to the viscosity residing in the corresponding zone. Specifically, the length of the external heating jacket in the upper zone can be configured to be the longest and to become shorter as it goes toward the lower zone. For example, the length of the external heating jacket provided in the upper zone of the tubular reactor can be configured to be 1 to 2 times, specifically 1.2 to 1.8 times, the length of the lower jacket below it. If the length of the heating jacket in the upper zone is the same as or shorter than the length of the heating jacket in the lower zone, the liquid stream residing in the upper zone quickly descends due to its low viscosity, making it difficult to secure a sufficient pyrolysis time, and if it exceeds 2 times, the residence time in the upper zone, which maintains a relatively low temperature, becomes longer than necessary, and a gradual temperature increase effect due to the lowering of the fluid cannot be expected.

일예로, 도 1에 나타낸 바와 같이 상기 관형 반응기가 수직 방향으로 Z1 내지 Z3의 3개 구역으로 구분되고 각 구역에 별도의 외부 가열 자켓이 구비되는 경우, 구역별 외부 가열 자켓(Z1, Z2 및 Z3)의 길이비는 5:3:2 또는 4:3:2 일 수 있다. 이러한 길이비는 상기 수치에 국한되는 것은 아니며, 각 구역에 체류하는 액상 스트림의 점도에 따라 조절될 수 있다.For example, as shown in Fig. 1, when the tubular reactor is divided into three zones Z1 to Z3 in the vertical direction and a separate external heating jacket is provided for each zone, the length ratio of the external heating jackets (Z1, Z2, and Z3) for each zone may be 5:3:2 or 4:3:2. This length ratio is not limited to the above numerical value, and may be adjusted according to the viscosity of the liquid stream remaining in each zone.

상기 외부 가열 자켓은 폐플라스틱 원료에 열을 전달하기 위한 수단으로서, 각 구역별로 구비된 외부 자켓에 고온/고압의 증기, 온수 또는 열매체유(heat transfer fluid) 등을 통과시켜 폐플라스틱 원료를 가열할 수 있으며, 이에 대한 특별한 제한은 없다. The above external heating jacket is a means for transferring heat to the waste plastic raw material. The waste plastic raw material can be heated by passing high temperature/high pressure steam, hot water or heat transfer fluid through the external jacket provided for each zone, and there is no special limitation on this.

한편, 폐플라스틱을 열분해하면 C1-4의 가스 성분, 나프타(naphtha)와 같은 C5-12의 경질 탄화수소 및 이보다 장쇄의 탄화수소 성분은 기화되어 반응기의 상부로 배출되고, 고점성의 왁스 잔류물(residual wax)은 미처 기화되지 못하고 반응기의 하부로 배출된다. 상기 기화된 상부 배출물 중에 고비점 성분이 많은 경우에는 고부가가치인 경질 탄화수소 오일의 수득율이 제한적이고, 고점성의 왁스 잔류물은 공정 운전의 장애가 되거나 최종 제품의 품질 저하를 초래하기에 활용도가 낮다.Meanwhile, when waste plastic is pyrolyzed, C 1-4 gas components, C 5-12 light hydrocarbons such as naphtha, and longer-chain hydrocarbon components are vaporized and discharged to the top of the reactor, and high-viscosity residual wax is not vaporized and is discharged to the bottom of the reactor. If there are many high-boiling-point components among the vaporized upper discharge, the yield of high value-added light hydrocarbon oil is limited, and high-viscosity wax residues have low utility because they hinder process operation or cause a decline in the quality of the final product.

이에, 폐플라스틱의 열분해시에 경질 탄화수소로 전환되는 선택도를 높이기 위해서, 상기 관형 반응기에서의 열분해는 430 내지 450 ℃의 범위에서 승온 조건으로 수행될 수 있다.Accordingly, in order to increase the selectivity for conversion into light hydrocarbons during thermal decomposition of waste plastic, thermal decomposition in the tubular reactor can be performed under elevated temperature conditions in the range of 430 to 450°C.

다시 도 1을 참조할 때, 상기 관형 반응기가 수직 방향으로 Z1 내지 Z3의 3개 구역을 포함하는 경우, 최상부 구역(Z1)을 일정한 속도, 예컨대 5 내지 20 ℃/min 또는 10 내지 15 ℃/min의 속도로 430℃까지 가열하면 페플라스틱이 하강하면서 관 내부 표면에서 고르게 분산되면서 승온되어 열분해가 이루어지고, 상기 열분해로 기화된 생성물은 반응기의 상부로 배출될 수 있다. 이어서, 중간 구역(Z2)을 440℃까지 가열하면 최상부 구역(Z1)에서 기화되지 못한 나머지 액상 스트림이 추가 열분해되고 기화된 생성물은 반응기의 상부로 배출될 수 있다. 이후, 최하부 구역(Z3)를 450℃까지 가열하면 중가구역(Z2)에서 기화되지 못한 나머지 액상 스트림이 추가 열분해되고 기화된 생성물은 반응기의 상부로 배출될 수 있다. 이때, 기화된 생성물의 배출은 반응기의 벤트 밸브(vent valve)를 개방시킴으로써 수행될 수 있다.Referring again to FIG. 1, when the tubular reactor includes three zones Z1 to Z3 in a vertical direction, when the uppermost zone (Z1) is heated to 430°C at a constant rate, for example, 5 to 20°C/min or 10 to 15°C/min, the plastic is evenly distributed on the inner surface of the tube as it descends and the temperature increases to cause pyrolysis, and the product vaporized by the pyrolysis can be discharged to the upper part of the reactor. Subsequently, when the middle zone (Z2) is heated to 440°C, the remaining liquid stream that was not vaporized in the uppermost zone (Z1) is further pyrolyzed, and the vaporized product can be discharged to the upper part of the reactor. Thereafter, when the lowermost zone (Z3) is heated to 450°C, the remaining liquid stream that was not vaporized in the intermediate zone (Z2) is further pyrolyzed, and the vaporized product can be discharged to the upper part of the reactor. At this time, discharge of the vaporized product can be performed by opening the vent valve of the reactor.

앞서 설명한 바와 같이, 폐플라스틱의 가열 온도에 따라 액상 스트림 내 경질 유분의 기화가 증가하므로, 3개의 구역에서 단계적 승온이 이루어지는 동안 상부 구역에서 하부 구역으로 갈수록 액상 스트림의 점도가 상승한다. 따라서, 구역별 점도를 고려해 액상 스트림의 체류 시간이 균일해지도록 구역별 외부 가열 자켓의 길이를 해당 구역에 체류하는 점도에 반비례하도록 구성하는 것이 바람직하다.As explained above, since the vaporization of light oil in the liquid stream increases depending on the heating temperature of the waste plastic, the viscosity of the liquid stream increases from the upper zone to the lower zone during the stepwise temperature increase in the three zones. Therefore, it is desirable to configure the length of the external heating jacket for each zone to be inversely proportional to the viscosity residing in the corresponding zone so that the residence time of the liquid stream becomes uniform by considering the viscosity of each zone.

또한, 승온식 열분해는 폐플라스틱의 분해반응이 활발하게 진행되는 특정 온도 범위에서 반응온도를 서서히 상승시킴으로써, 단일 온도에서의 열분해에 비해 폐플라스틱의 분해반응 효율을 향상시켜 경질 탄화수소로 전환되는 선택도를 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 폐플라스틱 원료의 공급량 대비 경질 탄화수소 오일의 수득율을 높이면서 잔사물로 남는 왁스의 배출량을 최소화할 수 있다.In addition, the temperature-elevated pyrolysis can improve the efficiency of the decomposition reaction of waste plastic by gradually increasing the reaction temperature in a specific temperature range where the decomposition reaction of waste plastic actively proceeds, thereby increasing the selectivity for conversion into light hydrocarbons compared to the pyrolysis at a single temperature. As a result, the yield of light hydrocarbon oil can be increased relative to the supply amount of waste plastic raw material, while minimizing the amount of wax remaining as a residue.

한편, 상기 폐플라스틱의 원료가 주로 열가소성 수지이고, 예컨대 수평균 분자량(number average molecular weight) 기준 10,000 내지 500,000, 상세하게는 100,000 내지 300,000의 폴리에틸렌, 또는 수평균 분자량 기준 5,000 내지 300,000, 상세하게는 100,000 내지 200,000의 폴리프로필렌을 포함하는 혼합물일 수 있음을 고려할 때, 상기 열분해 반응은 430 내지 450 ℃의 범위에서 수행되는 것이 유리하다. 상기 열분해 온도가 430℃ 미만인 경우에는 열분해 속도가 느려져 경질 탄화수소로의 전환이 감소할 수 있고, 450℃ 초과의 경우에는 고열로 인한 과반응으로 차르(char)와 같은 고체 탄화물의 생성이 증가할 수 있다.Meanwhile, considering that the raw material of the waste plastic is mainly a thermoplastic resin, for example, a mixture including polyethylene having a number average molecular weight of 10,000 to 500,000, specifically 100,000 to 300,000, or polypropylene having a number average molecular weight of 5,000 to 300,000, specifically 100,000 to 200,000, it is advantageous that the pyrolysis reaction is performed in a range of 430 to 450°C. When the pyrolysis temperature is less than 430°C, the pyrolysis rate may be slowed down, thereby decreasing the conversion into light hydrocarbons, and when it exceeds 450°C, the production of solid carbides such as char may increase due to overreaction caused by high heat.

또한, 상기 관형 반응기에서 승온 열분해는 선형적 승온 방식으로도 수행될 수 있으며, 예컨대 430 내지 450 ℃의 범위에서 0.1 내지 0.2 ℃/min의 승온 속도로 수행될 수 있다.In addition, the temperature-rising pyrolysis in the tubular reactor can also be performed in a linear temperature-rising manner, for example, at a temperature-rising rate of 0.1 to 0.2 °C/min in the range of 430 to 450 °C.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 승온 조건의 열분해는 1 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 열분해 반응시간은 폐플라스틱의 분해반응 시작 후 430 내지 450 ℃의 각 온도 구간에서 탄소수 12개 이하인 경질 탄화수소의 생성율이 증가하는 시점을 고려하여 결정될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thermal decomposition under the above temperature-elevated conditions can be performed for 1 to 3 hours. The thermal decomposition reaction time can be determined by considering the point in time at which the production rate of light hydrocarbons having 12 or less carbon atoms increases in each temperature range of 430 to 450° C. after the start of the decomposition reaction of the waste plastic.

한편, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 관형 반응기에서 열분해되지 못하고 하부로 배출된 잔류물은 펌프를 이용해 상기 관형 반응기의 상부 공급구로 순환될 수 있다.Meanwhile, as shown in Fig. 2, the residue that is not thermally decomposed in the tubular reactor and is discharged to the bottom can be circulated to the upper supply port of the tubular reactor using a pump.

상기 관형 반응기에서 각 구역에서의 열분해로 기화되어 생성된 기상 스트림은 C1-4의 탄화수소, C5-12의 탄화수소, C13-22의 탄화수소 및 C23-40의 탄화수소를 포함할 수 있다.The gaseous stream generated by vaporization through thermal decomposition in each zone of the above tubular reactor may include C 1-4 hydrocarbons, C 5-12 hydrocarbons, C 13-22 hydrocarbons, and C 23-40 hydrocarbons.

이어서, 상기 열분해 단계에서 생성된 기상 스트림을 응축하여 액상 오일을 수득한다(S2).Next, the gaseous stream generated in the thermal decomposition step is condensed to obtain liquid oil (S2).

상기 응축은 상기 열분해 가스를 냉각시키는 공정으로서, 이를 통해 열분해 반응기에서 배출된 고온의 열분해 가스 내 탄화수소의 중합반응을 억제하고 후속 공정(정제 공정)의 열 부하를 감소시킬 수 있다. 예컨대, 상기 열분해 반응기의 상부로 배출된 기상 스트림을 응축기에 공급하고 급냉 오일(quench oil) 또는 급냉수(quench water)와의 열교환을 수행하면 냉각 및 응축되어 액상 오일이 수득될 수 있으며, 상기 액상 오일은 응축기의 하부로 배출되어 저장 탱크로 이송될 수 있다. 한편, 상기 열교환에서 응축되지 않은 가스 성분(예컨대, C1-4의 탄화수소)은 상부로 배출될 수 있으며, 압축과 같은 후속 공정을 거쳐 석유화학 공정의 열원으로 사용될 수 있다.The above condensation is a process for cooling the pyrolysis gas, thereby suppressing the polymerization reaction of hydrocarbons in the high-temperature pyrolysis gas discharged from the pyrolysis reactor and reducing the heat load of a subsequent process (purification process). For example, a gaseous stream discharged from the upper portion of the pyrolysis reactor may be supplied to a condenser and subjected to heat exchange with quench oil or quench water, thereby cooling and condensing to obtain liquid oil, and the liquid oil may be discharged from the lower portion of the condenser and transferred to a storage tank. Meanwhile, a gas component (e.g., C 1-4 hydrocarbon) that is not condensed in the heat exchange may be discharged from the upper portion and may be used as a heat source for a petrochemical process through a subsequent process such as compression.

상기 응축을 거쳐 수득된 액상의 오일의 함량은 폐플라스틱 원료 중량을 기준으로 80 내지 95 중량%의 범위이며, 이는 고점성으로 분해되지 못한 왁스 잔류물(residual wax)은 20중량% 이하의 적은 양으로 배출됨을 의미한다.The content of the liquid oil obtained through the above condensation is in the range of 80 to 95 wt% based on the weight of the waste plastic raw material, which means that the wax residue (residual wax) that is not decomposed due to high viscosity is discharged in a small amount of 20 wt% or less.

구체적으로, 상기 액상 오일은 C5-12의 경질 오일(light oil, LO), C13-22의 중간 오일(middle oil, MO) 및 C23-40의 헤비 오일(heavy oil, HO)를 포함할 수 있다.Specifically, the liquid oil may include a light oil (LO) of C 5-12 , a middle oil (MO) of C 13-22 , and a heavy oil (HO) of C 23-40 .

이중에서 고부가가치의 연료유로 사용될 수 있는 C5-12의 경질 오일(LO)의 함량은 상기 액상 오일 중량의 10 내지 40 중량%일 수 있다. 또한 상기 C5-12의 경질 오일(LO)의 함량은 열분해 이전의 폐플라스틱 원료 중량을 기준으로 10 내지 50 중량%일 수 있다. Among these, the content of light oil (LO) of C 5-12 , which can be used as high value-added fuel oil, may be 10 to 40 wt% of the weight of the liquid oil. In addition, the content of light oil (LO) of C 5-12 may be 10 to 50 wt% based on the weight of the waste plastic raw material before pyrolysis.

즉, 본 발명에서는 폐플라스틱을 수직으로 구분되는 다중 구역을 포함하는 관형 반응기에서 승온 조건으로 열분해를 수행함으로써, 폐플라스틱의 분해 효율을 향상시켜 C5-12의 경질 오일(LO)을 고수율로 수득할 수 있다.That is, in the present invention, by performing thermal decomposition of waste plastic under elevated temperature conditions in a tubular reactor including multiple zones separated vertically, the decomposition efficiency of waste plastic can be improved, thereby obtaining light oil (LO) of C 5-12 at a high yield.

이후, 상기 액상 오일을 성분 분리를 위해 정제한다(S3).Thereafter, the liquid oil is purified to separate the components (S3).

상기 승온식 열분해 및 응축을 거쳐 수득된 액상 오일은 경질 및 이보다 장쇄의 탄화수소를 포함하는 혼합유이므로, 다단의 증류탑에 공급하여 비점차에 의해 단계별로 분리하는 정제 공정을 거친다. The liquid oil obtained through the above-mentioned elevated temperature thermal decomposition and condensation is a mixed oil containing light and longer-chain hydrocarbons, and therefore goes through a refining process in which it is supplied to a multi-stage distillation tower and separated step by step by boiling point difference.

상기 정제 공정은 당해 분야에 통상적인 방식으로 수행될 수 있으며, 특별한 제한은 없다. 예컨대, 증류탑에 공급되는 피드 스트림은 폐플라스틱의 열분해로부터 수득된 경질 및 중질의 모든 오일 성분들을 포함할 수 있으며, 상기 증류탑의 상부로부터 저비점의 경질 탄화수소를 포함하는 스트림을 배출하고, 고비점의 중질 탄화수소를 포함하는 스트림은 증류탑의 하부로 배출할 수 있다. The above purification process can be performed in a manner conventional in the art, and there are no special limitations. For example, the feed stream supplied to the distillation tower can include all light and heavy oil components obtained from the pyrolysis of waste plastic, and a stream including light hydrocarbons with low boiling points can be discharged from the top of the distillation tower, and a stream including heavy hydrocarbons with high boiling points can be discharged from the bottom of the distillation tower.

한편 본 발명에 따른 승온식 열분해가 직렬로 연결된 복수의 열분해 반응기에서 수행되는 경우, 각각의 반응기와 증류탑을 연결하는 배관은 칼럼 운전 열량을 최적화하기 위해 서로 다른 위치에 연결될 수 있다.Meanwhile, when the temperature-elevated pyrolysis according to the present invention is performed in a plurality of pyrolysis reactors connected in series, the pipes connecting each reactor and the distillation tower can be connected to different positions to optimize the column operating heat capacity.

상기 증류탑에 공급되는 피드 스트림은 폐플라스틱의 열분해로 수득된 오일 성분들, 즉 C5-12의 경질 오일(LO), C13-22의 중간 오일(MO) 및 C23-40의 중질 오일(HO)를 포함하는 혼합유일 수 있으며, 상기 증류탑의 상부로 C5-12의 경질 성분을 포함하는 스트림을 분리하여 배출할 수 있다.The feed stream supplied to the distillation tower may be a mixed oil including oil components obtained by pyrolysis of waste plastic, i.e., light oil (LO) of C 5-12 , medium oil (MO) of C 13-22 , and heavy oil (HO) of C 23-40 , and a stream including light components of C 5-12 may be separated and discharged from the top of the distillation tower.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 증류탑의 상부로 분리되는 C5-12의 경질 탄화수소는 상기 피드 스트림, 즉 액상 오일(혼합유) 전체 중량의 40 내지 60 중량%의 범위일 수 있으며, 폐플라스틱 원료의 중량 기준으로는 35 내지 50 중량% 일 수 있다. 이러한 고수율로 얻어지는 C5-12의 경질 탄화수소는 응축을 거쳐 고급 연료유로서 유용하게 사용될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the light C 5-12 hydrocarbons separated from the upper portion of the distillation tower may be in the range of 40 to 60 wt% of the total weight of the feed stream, i.e., the liquid oil (mixed oil), and may be in the range of 35 to 50 wt% based on the weight of the waste plastic raw material. The light C 5-12 hydrocarbons obtained in such a high yield can be usefully used as high-grade fuel oil through condensation.

특히, 본 발명에서 최종 수득된 C5-12의 경질 탄화수소 연료유는 비등점이 0 내지 230 ℃, 상세하게는 30 내지 216 ℃이고, 40℃에서의 동점도가 0.3 내지 1.0 cSt, 상세하게는 0.4 내지 0.9 cSt이며, 인화점이 -80℃ 이상(예컨대, -40℃)를 나타내어, 석유화학 원료로서 유용하게 사용될 수 있다. In particular, the light hydrocarbon fuel oil of C 5-12 finally obtained in the present invention has a boiling point of 0 to 230°C, specifically 30 to 216°C, a kinematic viscosity at 40°C of 0.3 to 1.0 cSt, specifically 0.4 to 0.9 cSt, and a flash point of -80°C or higher (e.g., -40°C), and thus can be usefully used as a petrochemical raw material.

본 발명에 따르면, 폐플라스틱 원료를 수직으로 구분되는 다중 구역을 포함하는 관형 반응기에서 공급하고 하부 구역으로 갈수록 단계적으로 온도를 상승시켜 열분해를 연속적으로 수행함으로써, 폐플라스틱의 분해 효율을 향상시켜 고급 경질 탄화수소 오일의 수율을 높이면서 활용도가 낮은 왁스 잔류물(residual wax)의 배출을 최소화할 수 있다.According to the present invention, by supplying waste plastic raw materials into a tubular reactor including multiple zones separated vertically and continuously performing thermal decomposition by gradually increasing the temperature toward the lower zones, the decomposition efficiency of waste plastics can be improved, thereby increasing the yield of high-grade light hydrocarbon oil and minimizing the discharge of residual wax having low utilization.

또한, 상기 관형 반응기의 구역별로 하강하는 액상 성분의 점도를 고려해 길이가 상이한 외부 가열 자켓을 구비하여 충분한 반응 체류 시간을 확보함으로써 폐플라스틱의 열분해 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. In addition, by considering the viscosity of the liquid component descending in each section of the tubular reactor, external heating jackets of different lengths are provided to secure sufficient reaction residence time, thereby further improving the thermal decomposition efficiency of waste plastic.

나아가, 폐플라스틱의 열분해로부터 얻은 경질의 탄화수소 연료유의 활용은 석유화학 공정의 원료 공급시에 유발되는 온실 가스 배출을 감소시킬 수 있고, 에너지 소비 절감과 같은 공정 효율 개선을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 폐플라스틱의 처리에 유해 가스가 발생하지 않아 환경적으로도 유리하다.Furthermore, the utilization of light hydrocarbon fuel oil obtained from the pyrolysis of waste plastic can reduce greenhouse gas emissions caused by the supply of raw materials for petrochemical processes, and improve process efficiency such as reducing energy consumption. In addition, it is also environmentally beneficial because no harmful gases are generated during the treatment of waste plastic.

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope and technical idea of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples alone.

실시예Example

실시예 1: Example 1 :

폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)를 6:4의 중량비로 포함하는 폐플라스틱 용융물 100중량부를 준비하고, 도 1에 나타낸 바와 같이 수직으로 구분되는 Z1 내지 Z3의 3개 구역을 포함하는 관형 반응기를 이용해 상압(1bar)에서 승온 조건으로 열분해를 수행하였다.100 parts by weight of a waste plastic melt containing polyethylene (PE) and polypropylene (PP) in a weight ratio of 6:4 was prepared, and pyrolysis was performed under elevated temperature conditions at atmospheric pressure (1 bar) using a tubular reactor including three vertically separated zones Z1 to Z3 as shown in Fig. 1.

먼저, 상기 관형 반응기에서 최상부 구역(Z1), 중간 구역(Z2) 및 최하부 구역(Z3)은 각각 외부 가열 자켓을 구비하여 순서대로 430℃, 440℃ 및 450℃의 열이 전달되도록 가열되며, 상기 구역별 외부 가열 자켓(Z1, Z2 및 Z3)의 길이비는 4:3:2로 구성하고, 상기 관형 반응기의 상부 공급구에 페플라스틱 용융물을 투입하고 2시간 동안 열분해를 수행하였다.First, in the tubular reactor, the uppermost zone (Z1), the middle zone (Z2), and the lowermost zone (Z3) are each equipped with external heating jackets and heated to sequentially transfer heat of 430°C, 440°C, and 450°C, respectively, and the length ratio of the external heating jackets (Z1, Z2, and Z3) for each zone is configured as 4:3:2, and a plastic melt is injected into the upper supply port of the tubular reactor and pyrolysis is performed for 2 hours.

상기 관형 반응기에서, 430℃로 가열된 최상부 구역(Z1)에서 페플라스틱 용융물이 하강하면서 관 내부 표면에서 열분해되며, 기화된 생성물을 반응기의 벤트 밸브(vent valve)를 개방시켜 상부로 배출하였다. 이어서, 440℃로 가열된 중간 구역(Z2)에서 이전 최상부 구역(Z1)에서 기화되지 못한 액상 스트림이 추가 열분해되어 기화된 생성물이 반응기의 상부로 배출되었다. 이후, 450℃로 가열된 최하부 구역(Z3)에서 이전 중가구역(Z2)에서 기화되지 못한 나머지 액상 스트림이 추가 열분해되어 기화된 생성물이 반응기의 상부로 배출되었다. In the above tubular reactor, the plastic melt descends in the uppermost zone (Z1) heated to 430°C and is thermally decomposed on the inner surface of the tube, and the vaporized product is discharged to the top by opening the vent valve of the reactor. Subsequently, in the intermediate zone (Z2) heated to 440°C, the liquid stream that was not vaporized in the previous uppermost zone (Z1) is additionally thermally decomposed, and the vaporized product is discharged to the top of the reactor. Thereafter, in the lowermost zone (Z3) heated to 450°C, the remaining liquid stream that was not vaporized in the previous intermediate zone (Z2) is additionally thermally decomposed, and the vaporized product is discharged to the top of the reactor.

상기 상부 배출 스트림을 상기 관형 반응기에 연결된 응축기로 유입시킨 후, 25℃로 냉각시켜 응축된 액상오일을 수득하고 비응축된 가스 성분은 배출하였다.The upper discharge stream was introduced into a condenser connected to the tubular reactor, cooled to 25°C to obtain condensed liquid oil, and the uncondensed gas component was discharged.

상기 액상 오일을 증류탑에 공급하여 비점에 따라 분리하는 정제를 수행하여, C5-12의 경질 탄화수소 열분해유를 최종 제조하였다.The above liquid oil was supplied to a distillation tower and purified by separation according to boiling point, thereby finally producing C 5-12 light hydrocarbon pyrolysis oil.

하기 표 1은 상기 구역별 액상 스트림에 포함된 탄화수소의 중간성분을 기준으로 한 온도별 점도를 나타낸 것이고, 이를 이용해 열분해 반응이 수행된 관형 반응기에서 각 구역을 통과하는 액상 스트림(혼합 성분)의 점도를 산출하여 표 2에 나타내었다.Table 1 below shows the viscosity by temperature based on the intermediate component of the hydrocarbon contained in the liquid stream by zone, and using this, the viscosity of the liquid stream (mixed component) passing through each zone in the tubular reactor where the thermal decomposition reaction was performed was calculated and shown in Table 2.

상기 표 2에서, 관형 반응기의 상부 구역에서 하부 구역으로 갈수록 폐플라스틱의 가열 온도가 상승됨에 따라 액상 스트림 내 경질 유분의 기화가 증가하므로, 액상 스트림의 점도가 상승함을 확인할 수 있다. 따라서, 구역별 점도를 고려해 액상 스트림의 체류 시간이 균일해지도록 구역별 외부 가열 자켓의 길이를 해당 구역에 체류하는 점도에 반비례하도록 구성하는 것이 바람직하다. 즉, 구역별 외부 가열 자켓의 길이는 하기 수학식 1을 만족하도록 조절될 수 있다.In the above Table 2, it can be confirmed that as the heating temperature of the waste plastic increases from the upper zone to the lower zone of the tubular reactor, the vaporization of the light oil in the liquid stream increases, and thus the viscosity of the liquid stream increases. Therefore, it is desirable to configure the length of the external heating jacket for each zone to be inversely proportional to the viscosity residing in the corresponding zone so that the residence time of the liquid stream becomes uniform by considering the viscosity for each zone. That is, the length of the external heating jacket for each zone can be adjusted so as to satisfy the following mathematical expression 1.

[수학식 1][Mathematical formula 1]

H = 1/V -2.46H = 1/V -2.46

상기 수학식 1에서, In the above mathematical expression 1,

H는 상기 관형 반응기에서 수직으로 구분되는 각 구역에 구비된 외부 가열 자켓의 길이(m)이고,H is the length (m) of the external heating jacket provided in each vertically separated section of the above tubular reactor,

V는 상기 각 구역을 통과하는 액상 성분의 점도(표 1 참조)이다.V is the viscosity of the liquid component passing through each of the above zones (see Table 1).

실시예 2: Example 2 :

도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 관형 반응기에서 열분해되지 못하고 하부로 배출된 잔류물을 펌프를 이용해 상기 관형 반응기의 상부 공급구로 순환시키는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정을 수행하였다.As shown in Fig. 2, the same process as in Example 1 was performed, except that the residue that was not thermally decomposed in the tubular reactor and was discharged to the bottom was circulated to the upper supply port of the tubular reactor using a pump.

참조예 1: Reference Example 1 :

폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)를 6:4의 중량비로 포함하는 폐플라스틱 용융물 100중량부를 구획이 구분되지 않은 관형 반응기에 공급하여, 상압(1bar) 및 430℃에서 2시간 동안 열분해를 수행하였다. 상기 열분해로 기화된 생성물을 반응기의 벤트 밸브(vent valve)를 개방시켜 상부로 배출하였다. 100 parts by weight of waste plastic melt containing polyethylene (PE) and polypropylene (PP) in a weight ratio of 6:4 was supplied to a tubular reactor without compartmentalization, and pyrolysis was performed at atmospheric pressure (1 bar) and 430°C for 2 hours. The product vaporized by the pyrolysis was discharged to the top by opening the vent valve of the reactor.

상기 상부 배출 스트림을 상기 관형 반응기에 연결된 응축기로 유입시킨 후, 25℃로 냉각시켜 응축된 액상오일을 수득하고 비응축된 가스 성분은 배출하였다.The upper discharge stream was introduced into a condenser connected to the tubular reactor, cooled to 25°C to obtain condensed liquid oil, and the uncondensed gas component was discharged.

상기 액상 오일을 증류탑에 공급하여 비점에 따라 분리하는 정제를 수행하여, C5-12의 경질 탄화수소 열분해유를 최종 제조하였다.The above liquid oil was supplied to a distillation tower and purified by separation according to boiling point, thereby finally producing C 5-12 light hydrocarbon pyrolysis oil.

참조예 2: Reference Example 2 :

상기 관형 반응기에서 열분해를 상압(1bar) 및 450℃에서 수행하는 것을 제외하고는 참조예 1과 동일한 과정을 수행하였다.The same process as in Reference Example 1 was performed, except that thermal decomposition was performed at atmospheric pressure (1 bar) and 450°C in the above tubular reactor.

비교예 1: Comparative Example 1 :

폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)를 6:4의 중량비로 포함하는 폐플라스틱 용융물 100중량부를 교반형 탱크 반응기(stirred tank reactor)에 공급하고, 상압(1bar) 및 430℃에서 2시간 동안 열분해 반응을 수행하였다. 상기 열분해로 기화된 생성물을 반응기의 벤트 밸브(vent valve)를 개방시켜 상부로 배출하였다. 100 parts by weight of a waste plastic melt containing polyethylene (PE) and polypropylene (PP) in a weight ratio of 6:4 was supplied to a stirred tank reactor, and a pyrolysis reaction was performed at atmospheric pressure (1 bar) and 430°C for 2 hours. The product vaporized by the pyrolysis was discharged to the top by opening the vent valve of the reactor.

상기 상부 배출 스트림을 상기 관형 반응기에 연결된 응축기로 유입시킨 후, 25℃로 냉각시켜 응축된 액상오일을 수득하고 비응축된 가스 성분은 배출하였다.The upper discharge stream was introduced into a condenser connected to the tubular reactor, cooled to 25°C to obtain condensed liquid oil, and the uncondensed gas component was discharged.

상기 액상 오일을 증류탑에 공급하여 비점에 따라 분리하는 정제를 수행하여, C5-12의 경질 탄화수소 열분해유를 최종 제조하였다.The above liquid oil was supplied to a distillation tower and purified by separation according to boiling point, thereby finally producing C 5-12 light hydrocarbon pyrolysis oil.

비교예 2: Comparative Example 2 :

상기 교반형 반응기에서 열분해를 상압(1bar) 및 450℃에서 수행하는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 과정을 수행하였다.The same process as in Comparative Example 1 was performed, except that thermal decomposition was performed at atmospheric pressure (1 bar) and 450°C in the above-mentioned stirred reactor.

상기 실시예, 참조예 및 비교예에서 폐플라스틱의 열분해 후 응축을 거쳐 수득된 액상 오일의 조성을 GC-MS로 분석하고, 질량분석 스펙트럼에서 탄소수에 따른 영역별 피크 면적비를 이용하여 비응축성 C1-4 가스, 응축의 액상 오일(C5-12의 경질 오일(light oil, LO), C13-22의 중간 오일(middle oil, MO) 및 C23-40의 중질 오일(heavy oil, HO)를 포함), 및 잔류물의 분율을 산출하였다. The composition of the liquid oil obtained through condensation after pyrolysis of waste plastic in the above examples, reference examples and comparative examples was analyzed by GC-MS, and the fractions of non-condensable C 1-4 gas, condensed liquid oil (including light oil (LO) of C 5-12 , middle oil (MO) of C 13-22 and heavy oil (HO) of C 23-40 ), and residue were calculated using the peak area ratio by region according to carbon number in the mass spectrometry spectrum.

하기 표 3에는 열분해 조건에 따른 액상 오일 중 LO(C5-12)의 분율 및 폐플라스틱 원료 공급량 대비 LO(C5-12)의 수득율을 나타내었다. Table 3 below shows the fraction of LO (C 5-12 ) in liquid oil according to the thermal decomposition conditions and the yield of LO (C 5-12 ) relative to the amount of waste plastic raw material supplied.

상기 표 3에서, 다중 구역의 관형 반응기를 이용해 폐플라스틱의 열분해를 430 내지 450 ℃의 범위에서 승온 조건으로 수행한 실시예 1은 참조예 및 비교예에 비해 C5-12의 경질 오일(LO)의 액상 오일 중 분율 및 원료 공급량 기준 수득율이 향상되었음을 확인할 수 있다. In the above Table 3, it can be confirmed that Example 1, in which thermal decomposition of waste plastic was performed under elevated temperature conditions in the range of 430 to 450°C using a multi-zone tubular reactor, improved the fraction of liquid oil of light oil (LO) of C 5-12 and the yield based on the raw material supply amount compared to the reference example and the comparative example.

구체적으로, 참조예 1 및 2는 관형 반응기를 사용함에 따라 교반형 반응기의 비교예 1 및 2에 비해 향상된 C5-12의 경질 오일(LO)의 수득율을 나타내었지만, 단일 온도에서의 열분해에 의해 관형 반응기의 다중 구역에서 단계식 승온 열분해를 수행한 실시예 1에 비해 불안정한 경질 탄화수소의 수득율 분포를 나타내었다.Specifically, Reference Examples 1 and 2 showed improved yields of light oil (LO) of C 5-12 compared to Comparative Examples 1 and 2 of the stirred reactor by using a tubular reactor, but showed unstable yield distributions of light hydrocarbons compared to Example 1 in which step-wise temperature-elevated pyrolysis was performed in multiple zones of the tubular reactor by pyrolysis at a single temperature.

Claims (14)

(S1) 폐플라스틱 원료는 수직으로 구분되는 다중 구역(zone)을 포함하는 관형 반응기의 상부 공급구에 투입하여 열분해하는 단계;
(S2) 상기 열분해 단계에서 생성된 기상 스트림을 응축하여 액상 오일을 수득하는 단계; 및
(S3) 상기 액상 오일을 정제하는 단계를 포함하고,
상기 열분해는 상기 관형 반응기의 상부 구역에서 하부 구역으로 갈수록 승온 조건으로 수행되는 폐플라스틱 열분해유 제조 방법.
(S1) A step of thermally decomposing waste plastic raw materials by feeding them into the upper feed port of a tubular reactor including multiple vertically separated zones;
(S2) a step of condensing the gaseous stream generated in the above thermal decomposition step to obtain liquid oil; and
(S3) comprising a step of refining the liquid oil;
A method for producing waste plastic pyrolysis oil, wherein the above pyrolysis is performed under conditions where the temperature increases from the upper section to the lower section of the tubular reactor.
제1항에 있어서,
상기 관형 반응기는 다발관 강하막 증발기(multitube falling-film evavorator)를 포함하는 폐플라스틱 열분해유 제조 방법.
In the first paragraph,
The above tubular reactor is a method for producing waste plastic pyrolysis oil including a multitube falling-film evavorator.
제1항에 있어서,
상기 단계 (S1)에서 열분해에 의해 생성된 기상 스트림은 상기 관형 반응기의 상부로 배출되고, 나머지 액상 스트림은 상기 관형 반응기 내부 표면을 따라 하강하는 폐플라스틱 열분해유 제조 방법.
In the first paragraph,
A method for producing waste plastic pyrolysis oil, wherein the gaseous stream generated by pyrolysis in the above step (S1) is discharged to the top of the tubular reactor, and the remaining liquid stream descends along the inner surface of the tubular reactor.
제3항에 있어서,
상기 관형 반응기의 내부에서 하강하는 액상 스트림은 상부 구역에서 하부 구역으로 갈수록 증가된 점도를 나타내는 폐플라스틱 열분해유 제조 방법.
In the third paragraph,
A method for producing waste plastic pyrolysis oil, wherein a liquid stream descending inside the tubular reactor exhibits increasing viscosity from the upper zone to the lower zone.
제1항에 있어서,
상기 관형 반응기는 구역별로 길이가 상이한 외부 자켓을 통해 가열되며, 상기 외부 자켓의 길이는 상부 구역에서 하부 구역으로 갈수록 짧게 하여 액상 스트림의 점도 증가에 따라 구역별 체류 시간을 조절하는 폐플라스틱 열분해유 제조 방법.
In the first paragraph,
A method for producing waste plastic pyrolysis oil, wherein the tubular reactor is heated through an external jacket having different lengths for each zone, and the length of the external jacket becomes shorter from the upper zone to the lower zone, thereby controlling the residence time for each zone according to the increase in viscosity of the liquid stream.
제5항에 있어서,
상기 관형 반응기에서 상부 구역에 구비된 외부 자켓의 길이는 그 아래의 하부 구역에 구비된 외부 자켓 길이의 1배 초과 내지 2배인 폐플라스틱 열분해유 제조 방법.
In paragraph 5,
A method for producing waste plastic pyrolysis oil, wherein the length of the external jacket provided in the upper section of the above tubular reactor is more than 1 to 2 times the length of the external jacket provided in the lower section therebelow.
제1항에 있어서,
상기 단계 (S1)에서 열분해는 430 내지 450 ℃의 범위에서 승온 조건으로 수행되는 폐플라스틱 열분해유 제조 방법.
In the first paragraph,
A method for producing waste plastic pyrolysis oil, wherein in the above step (S1), pyrolysis is performed under elevated temperature conditions in the range of 430 to 450°C.
제1항에 있어서,
상기 단계 (S1)에서 열분해되지 못하고 상기 관형 반응기의 하부에서 배출된 잔류물은 펌프를 이용해 상기 관형 반응기의 상부 공급구로로 순환되는 폐플라스틱 열분해유 제조 방법.
In the first paragraph,
A method for producing waste plastic pyrolysis oil, wherein the residue that is not pyrolyzed in the above step (S1) and is discharged from the bottom of the tubular reactor is circulated to the upper supply port of the tubular reactor using a pump.
제1항에 있어서,
상기 단계 (S2)에서 수득된 액상 오일은 폐플라스틱 원료 중량을 기준으로 80 내지 95 중량%인 폐플라스틱 열분해유의 제조 방법.
In the first paragraph,
A method for producing waste plastic pyrolysis oil, wherein the liquid oil obtained in the above step (S2) is 80 to 95 wt% based on the weight of the waste plastic raw material.
제1항에 있어서,
상기 단계 (S2)에서 수득된 액상 오일은 C5-12의 경질 오일(light oil, LO), C13-22의 중간 오일(middle oil, MO) 및 C23-40의 헤비 오일(heavy oil, HO)를 포함하는 폐플라스틱 열분해유의 제조 방법.
In the first paragraph,
A method for producing waste plastic pyrolysis oil, wherein the liquid oil obtained in the above step (S2) includes light oil (LO) of C 5-12 , middle oil (MO) of C 13-22 , and heavy oil (HO) of C 23-40 .
제9항에 있어서,
상기 C5-12의 경질 오일(LO)의 함량은 상기 액상 오일 중량의 10 내지 40 중량%인 폐플라스틱 열분해유의 제조 방법.
In Article 9,
A method for producing waste plastic pyrolysis oil, wherein the content of the light oil (LO) of the above C 5-12 is 10 to 40 wt% of the weight of the liquid oil.
제9항에 있어서,
상기 C5-12의 경질 오일(LO)의 함량은 폐플라스틱 원료 중량을 기준으로 10 내지 50 중량%인 폐플라스틱 열분해유의 제조 방법.
In Article 9,
A method for producing waste plastic pyrolysis oil, wherein the content of the light oil (LO) of the above C 5-12 is 10 to 50 wt% based on the weight of the waste plastic raw material.
제1항에 있어서,
상기 폐플라스틱 원료는 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)를 포함하는 혼합물인 폐플라스틱 열분해유의 제조 방법.
In the first paragraph,
The above waste plastic raw material is a method for producing waste plastic pyrolysis oil, which is a mixture containing polyethylene (PE) and polypropylene (PP).
제1항에 있어서,
상기 폐플라스틱 원료는 파쇄, 세척, 건조 및 용융을 포함하는 전처리 과정을 거친 후에 상기 관형 반응기에 공급되는 폐플라스틱 열분해유의 제조 방법.
In the first paragraph,
A method for producing waste plastic pyrolysis oil, wherein the waste plastic raw material is supplied to the tubular reactor after undergoing a pretreatment process including crushing, washing, drying and melting.
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Patent event date: 20230511

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